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一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法

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成果类型:
专利
发明/设计人:
黄志亮;阳同光;黎灿兵;李文芳
申请/专利权人:
湖南城市学院
专利类型:
发明专利
语种:
中文
申请时间:
2020-05-12
申请/专利号:
CN202010397865.1
公开时间:
2020-08-25
公开号:
CN111581901A
主申请人地址:
413000 湖南省益阳市迎宾东路518号
申请地区:
湖南
机构署名:
本校为第一完成单位
主权项:
1.一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,具体包括以下步骤: S1:基于待优化的压接式IGBT器件,选取设计目标和约束; S2:基于所述设计目标,提取应力分析相关结构并给定分析参数; S3:基于所述应力分析相关结构和分析参数,建立热力耦合有限元模型; S4:基于有限元模型,建立IGBT器件性能函数S; S5:基于所述性能函数,构建IGBT器件性能稳健性优化模型M1; S6:求解性能稳健性优化模型M1,输出最优解; S7:基于最优解E*,构建IGBT器件的最优结构设计方案。 2.按照权利要求1所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S1中,所述待优化的压接式IGBT器件包括FRD芯片和IGBT芯片,所述设计目标选取为所述FRD芯片和IGBT芯片上的最大应力SU,用于获得所述FRD芯片和所述IGBT芯片的各芯片最优应力均衡,所述约束选取为所述FRD芯片和所述IGBT芯片的各芯片上的最小典型应力值ST应大于或等于额定应力S0,即ST≥S0,用于保证接触截面的热传导。 3.按照权利要求2所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,所述典型应力值ST为所述FRD芯片或所述IGBT芯片的中间位置的应力,所述额定应力S0根据工程经验给定。 4.按照权利要求2所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S2中,所述应力分析相关结构包括第一集电极铜块(217)、第一发射极铜块(218)和第一子模组(201-216)中的相关结构,所述给定分析参数是指材料参数、相互作用参数和载荷参数,所述材料参数是指所述各相关结构的材料机械特性与热特性参数,所述相互作用参数是指在第一上表面(2170)、第二下表面(2180)上与所述冷板之间的热交换系数CT、冷板温度TS,所述载荷是指第一上、下表面(2170、2180)承受的压力F、FRD芯片的热耗随机载荷P1、IGBT芯片的热耗随机载荷P2,所述随机载荷P1、P2在其随机过程的任一时刻对应一随机变量,其均值分别为uP1、uP2,标准差为vP1、vP2;随机载荷P1、P2在过程[t1,T]的自相关函数为CR1(τ|τ∈[t1,T])、CR2(τ|τ∈[t1,T]),其中,t1、T表示所述过程的起始时刻和终止时刻,τ表示所述过程中某一时间间隔。 5.按照权利要求1所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S3中,对所述IGBT器件应力分析相关结构建立基于X方向和Y方向对称的1/4型有限元模型(30),在所述有限元模型(30)中的边界条件设为:对下表面(3180)建立固支边界条件,对第一区域(3171)和第二区域(3181)建立基于X方向的对称边界条件,对第三区域(3172)和第四区域(3182)建立基于Y方向的对称边界条件;在所述有限元模型(30)中的相互作用设为:在第二上表面(3170)和第二下表面(3180)上建立表面热交换条件,其参数为CT、TS;在所述有限元模型(30)中的载荷设为:在第二上表面(3170)上施加均布压力F;对FRD芯片模型施加P1=uP1的热载荷;对IGBT芯片模型施加每芯片P2=uP2的热载荷;选取耦合温度-位移稳态求解器对所述有限元模型(30)求解,得到待优化IGBT器件的应力响应,最后提取最大应力SU和最小典型应力ST。 6.按照权利要求4所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S4中,建立性能函数S的流程为: 步骤S4.1:定义所述有限元模型中的银片等效弹性模量向量E,E=[E1,E2,...,Em]; 步骤S4.2:定义随机载荷向量P,其由随机载荷P1、P2构成,即P=[P1,P2]; 步骤S4.3:将所述向量E中元素Ei,i=1,2,...,m作为所述银片的弹性模量,将所述向量P中元素P1、P2作为每一所述FRD芯片、IGBT芯片的热耗,输入到所述有限元模型中求解得到相应的最大应力值SU和典型应力值ST,将SU和ST视作所述IGBT器件的两个性能函数,其涉及的变量包含所述向量E、P,即:SU(E,P)和ST(E,P)。 7.按照权利要求6所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S5中,建立优化模型M1的流程为: 步骤S5.1:选取向量E为设计向量,即向量E中元素Ei,i=1,2,...,m作为设计变量; 步骤S5.2:设定Ei的取值范围ELi≤Ei≤ERi,i=1,2,...,m,其中,ELi和ERi表示Ei取值的上界和下界,ELi和ERi根据工程经验给定。 步骤S5.3:将过程[t1,T]离散成p个时刻,计为时间向量t=[t1,t2,...,tp],tp即所述过程的终止时刻T; 步骤S5.4:基于随机载荷Pi,i=1,2的参数uPi,vPi,和自相关函数CRi,对时间向量t进行ns次的随机采样,每一过程样本均包含p个时刻的样本点;即对于Pi的第j个过程样本,可写成向量Pi,j=[Pi,j(t1),Pi,j(t2),...,Pi,j(tp)],其中,i=1,2;j=1,2,...,ns; 步骤S5.5:对于所述设计向量E,将Pi,i=1,2的过程样本代入到性能函数SU(E,P)和ST(E,P)中,可得到ns个S的过程样本;对于SU、ST的第j个样本分别写成向量SjU=[SjU(t1),SjU(t2),...,SjU(tp)]、SjT=[SjT(t1),SjT(t2),...,SjT(tp)]; 步骤S5.6:对SU、ST的所有过程样本取极值,即SjUmax=max(SjU),SjTmin=min(SjT),j=1,2,...,ns;max()和min()分别表示对向量元素选取最大值和最小值;SjUmax组成ns维向量SUmax=[S1Umax,S2Umax,...,SnsUmax],SjTmin组成ns维向量STmin=[S1Tmin,S2Tmin,...,SnsTmin]; 步骤S5.7:基于向量SUmax和STmin,构造IGBT性能稳健性优化模型M1: 其中,Rf(SU(E,P))为稳健性目标函数,Rg(ST(E,P))为稳健性约束函数,Rf和Rg均内嵌了性能函数S而成为向量(E,P)的嵌套函数,Rf和Rg的表达式分别为:Rf(SU(E,P))=mean(SUmax),Rg(ST(E,P))=mean(STmin)≥S0;其中mean表示向量均值计算。 8.按照权利要求7所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S6中,求解优化模型M1的流程为: 步骤S6.1:基于性能稳健性优化模型M1,构造确定性优化模型M2: 其中,uP表示由所述随机载荷P1,P2均值组成的向量,写成uP=[uP1,uP2]; 步骤S6.2:设迭代步k=1和初始点采用现有的序列二次规划算法对模型M2求解,输出当前迭代步的解E(k)=[E1(k),E2(k),...,Em(k)],SU(1)=SU(E(k),uP),ST(k)=ST(E(k),uP); 步骤S6.3:更新迭代步k=k+1; 步骤S6.4:基于上一迭代步的解E(k-1)构造SU(E,P)的近似表达式LU(k)(E,P)和ST(E,P)的近似表达式LT(k)(E,P): LU(k)(E,P)=SU(E(k-1),uP)+Σi=1:m(ai(k)·(Ei-Ei(k-1))/Ei)+Σi=1:m(bi(k)·(Ei-Ei(k-1))2/Ei2)+Σj=1:2(cj(k)·(Pj-uPj)/Pj)+Σj=1:2(dj(k)·(Pj-uPj)2/Pj2) LT(k)(E,P)=ST(E(k-1),uP)+Σi=1:m(Ai(k)·(Ei-Ei(k-1))/Ei)+Σi=1:m(Bi(k)·(Ei-Ei(k-1))2/Ei2)+Σj=1:2(Cj(k)·(Pj-uPj)/Pj)+Σj=1:2(Dj(k)·(Pj-uPj)2/Pj2) 其中,Σi=1:m()表示括弧中i取值1~m的求和计算;ai,bi,cj,dj,(i=1,2,...,m;j=1,2)表示所述表达式LU(k)(E,P)的待定系数,Ai,Bi,Cj,Dj,(i=1,2,...,m;j=1,2)表示所述表达式LT(k)(E,P)的待定系数,得到所述待定系数的表达式: 在第k次迭代步,求得近似表达式L(k)(E,P)中的待定系数的数值; 步骤S6.5:采用近似表达式LU(k)(E,P)、LT(k)(E,P)分别替代模型M2中性能函数SU(E,P)、ST(E,P),计算当前迭代步的稳健性目标函数值和稳健性约束函数值:Rf(k)=Rf(LU(k)(E,P))、Rg(k)=Rg(LT(k)(E,P)),并进一步分别求取目标函数与约束函数值差:ΔSU(k)=Rf(k)-S(E(k-1),uP)、ΔST(k)=S(E(k-1),uP)-Rf(k); 步骤S6.6:基于目标函数与约束函数值差,建立当前迭代步的稳健性优化模型M3: 采用现有的序列二次规划算法对模型M3求解,得到当前迭代步的解E(k)=[E1(k),E2(k),...,Em(k)]。 步骤S6.7:判断是否收敛,如收敛则输出最优解E*=E(k);否则,转入步骤S5.3;收敛标准M4如下: 其中,norm()表示向量求模计算,abs()表示绝对值计算;e1和e2表示给定的收敛限,求解过程经历了k次迭代后收敛到最优解E*,及相应的最大应力值SU*=S(E*,uP),最小典型应力值ST*=S(E*,uP),稳健性目标函数值和约束函数值Rf*、Rg*。 9.按照权利要求8所述的一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,其特征在于,在步骤S7中,构建所述IGBT器件的最优结构设计方案的流程为: S7.1建立与所述银片的结构外形尺寸一致的银片初始构型,在所述银片初始构型上设计镂空区域、边框区域; S7.2根据实际加工工艺要求,设置边框区域的边框宽度w≥w0,w0为初始边框宽度,通常情况下银片外形结构为正方形薄片,L为所述正方形的边长。 S7.3根据所述IGBT器件中银片与所述有限元模型中银片之间的对应关系,建立第j个银片与Ei之间的函数式:Ei*=1-(L-2*wj)2/(L-2*wj+2)2。 S7.4将最优解E*代入到所述函数式中,计算得到最优设计方案wj,j=1,2,...,n。
摘要:
本发明涉及全控型电压驱动式功率半导体器件领域;公开了一种随机载荷下压接式IGBT器件性能稳健性优化设计方法,该方法包括以下处理步骤:基于待优化的压接式IGBT器件,选取设计目标和约束;提取应力分析相关结构并给定分析参数;建立热力耦合有限元模型;建立IGBT器件性能函数;构建IGBT器件性能稳健性优化模型;求解性能稳健性优化模型;基于最优解,构建IGBT器件的最优结构设计方案。与现有技术相比,所提方法中给出性能稳健性优化设计模型及求解方法,兼顾了芯片最大接触应力和最小典型接触应力,考虑了芯片热载荷的随机过程,为随机载荷下的IGBT性能稳健性优化提供了一种高效的设计工具。...

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